海上衛(wèi)星通信最優(yōu)發(fā)射功率算法研究?

劉冠邑 張海勇 任 重

（海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系 大連 116018）

1 引言

衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、通信范圍廣、信道容量大等優(yōu)點(diǎn)，在軍事與民用的諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1～2］。海上衛(wèi)星通信相比一般衛(wèi)星通信，其特殊之處在于：船舶空間狹小，天線尺寸受限；船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；海上衛(wèi)星通信抗干擾能力較差［3～5］。正是因?yàn)橥ㄐ烹y度大、效率低，所以如何基于現(xiàn)有技術(shù)和裝備條件，保持通信鏈路可通，保證通信順利，就成為海上衛(wèi)星通信的首要任務(wù)。

由于通信可用頻率資源有限，天線尺寸受船舶空間限制，所以當(dāng)通信受到外界干擾時(shí)，最直接有效的調(diào)整方式就是增大發(fā)射機(jī)功率。現(xiàn)階段工作人員調(diào)整發(fā)射機(jī)功率時(shí)大多是靠經(jīng)驗(yàn)操作，缺乏具體的理論依據(jù)，如果功率調(diào)整不當(dāng)，不僅無(wú)法改善通信質(zhì)量，甚至?xí)罐D(zhuǎn)發(fā)器飽和，導(dǎo)致通信徹底中斷。

針對(duì)上述功率控制存在的問(wèn)題，已有學(xué)者進(jìn)行研究，提出了一種最優(yōu)發(fā)射功率算法［6］。但該算法過(guò)于理想化，未考慮海上通信受到的海面反射等自然因素引起的噪聲。本文在此基礎(chǔ)上，提出一種適用于透明轉(zhuǎn)發(fā)器多載波工作模式的載噪比計(jì)算模型，以便于計(jì)算不同干擾條件下的最優(yōu)發(fā)射功率，并研究了海上復(fù)雜環(huán)境下的發(fā)射機(jī)建議功率范圍與最優(yōu)發(fā)射功率，為海上衛(wèi)星通信的功率控制策略提供技術(shù)支持。

2 海上衛(wèi)星通信載噪比計(jì)算模型

計(jì)算最優(yōu)發(fā)射功率首先要計(jì)算鏈路載噪比。因?yàn)檩d噪比作為衛(wèi)星通信中的一個(gè)重要參數(shù)，是衡量通信鏈路性能的唯一指標(biāo)。載噪比越大，則通信鏈路性能越好。只有當(dāng)鏈路總載噪比大于門限載噪比，即鏈路余量大于零時(shí)，通信鏈路可通。衛(wèi)星通信鏈路通常分為兩部分，從船載發(fā)射機(jī)到衛(wèi)星接收機(jī)部分稱為上行鏈路，從衛(wèi)星發(fā)射機(jī)到船載接收機(jī)部分稱為下行鏈路，因此載噪比計(jì)算也要分為上行鏈路與下行鏈路兩部分考慮［7］。如下圖，從A站到衛(wèi)星部分為上行鏈路，從衛(wèi)星到B站部分為下行鏈路。

上行鏈路載噪比主要取決于上行鏈路損耗和船載發(fā)射機(jī)天線有效全向輻射功率EIRPE，EIRPE是衛(wèi)星通信上行鏈路發(fā)射端唯一的“品質(zhì)因數(shù)”指標(biāo)，可根據(jù)天線發(fā)射功率PT求得。同理，下行鏈路載噪比取決于下行鏈路損耗和衛(wèi)星發(fā)射天線有效全向輻射功率EIRPS，當(dāng)衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性區(qū)域時(shí)，EIRPS與PT存在線性關(guān)系，此時(shí)EIRPS也可根據(jù)天線發(fā)射功率求得。因此在已知外界干擾因素，和衛(wèi)星通信相關(guān)參數(shù)的情況下，能夠得到船載發(fā)射功率PT與上、下行鏈路載噪比的關(guān)系，從而通過(guò)PT求得鏈路總載噪比。載噪比計(jì)算流程如圖2所示。

海上衛(wèi)星通信干擾因素多，天線尺寸與發(fā)射功率受限。當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)受到干擾時(shí)，工作人員只能基于現(xiàn)有裝備條件進(jìn)行調(diào)整，最常見(jiàn)的就是調(diào)整天線發(fā)射功率。本節(jié)通過(guò)建立關(guān)于船載天線發(fā)射功率的載噪比計(jì)算模型，為給出合理的功率控制建議奠定基礎(chǔ)。

2.1 上行鏈路載噪比

上行鏈路載噪比取決于上行鏈路損耗和艦船載發(fā)射機(jī)的有效全向輻射功率EIRPE，計(jì)算公式如下：

其中（G/T）S為衛(wèi)星接收天線的品質(zhì)因數(shù)；Lou為上行鏈路其他損耗，主要包擴(kuò)雨衰、大氣吸收、云和霧衰減等造成的損耗；玻爾茲曼常數(shù)K=-228.6dBW·Hz/K；BN為載波噪聲帶寬，與信息速率、碼率和調(diào)制因子有關(guān)；全向輻射功率EIRPE與船載衛(wèi)星天線發(fā)射功率PT相關(guān)，可由下式求得：

其中GT為天線增益，LFTE為船載發(fā)射天線饋線損耗。

自由空間路徑損耗存在于所有的無(wú)線電波傳播之中，只與通信頻率和距離有關(guān)，上行鏈路自由空間損耗計(jì)算公式如下：

fu為上行鏈路中心頻率，du為衛(wèi)星與船載發(fā)射站的波束中心軸向距離，在已知發(fā)射站所處位置的經(jīng)緯度（λ1，φ1）與衛(wèi)星定點(diǎn)位置的經(jīng)度λ的情況下，du可用如下公式計(jì)算：

將式（2）、（3）帶入式（1），可以得到上行鏈路載噪比（C/N）u關(guān)于船載衛(wèi)星通信天線發(fā)射功率PT的計(jì)算公式：

2.2 下行鏈路載噪比

下行鏈路載噪比取決于下行鏈路損耗和衛(wèi)星發(fā)射天線全向輻射功率EIRPS，計(jì)算公式如下：

（G/T）E為船載衛(wèi)星通信接收天線的品質(zhì)因數(shù)；Lod為下行鏈路其他損耗。下行鏈路自由空間路徑損耗Lfd計(jì)算方法與上行鏈路相似，可用如下公式計(jì)算：

其中fd為下行鏈路中心頻率；dd為衛(wèi)星與船載接收站的波束中心軸向距離，算法與計(jì)算du相同。

下行鏈路載噪比計(jì)算的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是衛(wèi)星天線全向輻射功率EIRPS。由于目前通信衛(wèi)星上主要應(yīng)用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，當(dāng)其工作于多載波工作模式時(shí)，工作點(diǎn)必須回退到特性曲線的線性區(qū)域，以降低交調(diào)失真對(duì)通信的影響，所以本文在轉(zhuǎn)發(fā)器功放工作在多載波模式的條件下，建立發(fā)射天線功率—載噪比計(jì)算模型。功率放大器的輸入/輸出特性如圖3所示，此時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)器輸入/輸出特性與單載波模式在線性區(qū)域是相同的，可以利用單載波模式下的輸入功率回退BOi、輸出功率回退BOo、飽和通量密度SFD以及飽和全向輻射功率EIRPSS等參數(shù)，求出多載波模式工作點(diǎn)與功率放大器特性，進(jìn)而求出EIRPS［8］。

由上圖可知，當(dāng)處于單載波工作點(diǎn)時(shí)，輸入功率通量密度為飽和通量密度SFD，輸出全向輻射功率為飽和全向輻射功率EIRPSS。則在回退到多載波工作點(diǎn)時(shí)，輸入功率通量密度PFD值為SFD-BOi，輸出全向輻射功率EIRPS值為EIRPSS-BOO。設(shè)功率放大器的增益為G，有效口徑面積為Ae，我們?nèi)菀椎贸鲆韵玛P(guān)系：

上式中GS為衛(wèi)星發(fā)射天線增益，LFTS為衛(wèi)星發(fā)射天線饋線損耗。整理式（9）、（10）可得：

將多載波工作點(diǎn)的參數(shù)帶入式（11），可以求得放大器增益G=EIRPSS-BOO-GS+LFTS-SFD+BOi-Ae，功率通量密度計(jì)算公式如下：

將式（12）中計(jì)算出的功率通量密度PFD與放大器增益G帶回到式（11），可以整理得到衛(wèi)星天線全向輻射功率EIRPS關(guān)于船載天線發(fā)射功率PT的計(jì)算公式：

將式（8）、（13）帶入式（7），可以得到下行鏈路載噪比（C/N）d關(guān)于船載衛(wèi)星通信天線發(fā)射功率PT的計(jì)算公式：

2.3 雨衰條件下的總載噪比

降雨引起的衰減會(huì)使鏈路性能嚴(yán)重下降，在載噪比計(jì)算中必須加以考慮［9］。衰減值A(chǔ)0.01取決于通信頻率與天線仰角，計(jì)算公式在ITU-R提供的雨衰模型［10］中給出：

其中kRα0.01為衰減率（dB/km），由不同地區(qū)的降雨強(qiáng)度決定；ν0.01為縮減因子；hR為降雨高度（km）；hS為船載站的海拔高度（km）；θ為路徑仰角。

通信鏈路受多種因素影響，其中雨衰的影響最為嚴(yán)重，本文重點(diǎn)考慮降雨衰減對(duì)通信鏈路的影響。降雨衰減一般只計(jì)算一次［11］，當(dāng)上行鏈路受到降雨影響時(shí)，則令Lou=A0.01，Lod=0；同理當(dāng)下行鏈路受到降雨影響時(shí)，則 Lou=0，Lod=A0.01。將 Lou、Lod帶入式（5）、（14）求得雨衰條件下的上、下行鏈路載噪比，進(jìn)而由下式求得鏈路總載噪比：

3 海上衛(wèi)星通信最優(yōu)功率算法

3.1 最優(yōu)發(fā)射功率計(jì)算模型

通信鏈路總載噪比（C/N）t大于門限載噪比（C/N）TH時(shí)鏈路可通。衛(wèi)星通信受到不同干擾時(shí)，鏈路載噪比不同，因此為保持鏈路可通，需調(diào)整發(fā)射功率PT到合適范圍，在該范圍內(nèi)選取通信代價(jià)最小的功率為最優(yōu)發(fā)射功率。其意義在于：1）最優(yōu)發(fā)射功率下鏈路始終可通，通信穩(wěn)定可靠；2）轉(zhuǎn)發(fā)器增益高，且避免被推向飽和，使通信中斷；3）節(jié)省海上衛(wèi)星通信的功率資源。

令總載噪比（C/N）t等于門限載噪比（C/N）TH，可求得鏈路可通的船載發(fā)射機(jī)最小功率PTmin。此時(shí)有如下關(guān)系：

門限載噪比（C/N）TH取決于門限比特信噪比Eb/N0，信息速率Rb以及載波噪聲帶寬BN。

將式（5）、（14）、（19）帶入式（18）并化簡(jiǎn)可得：

為降低交調(diào)干擾對(duì)通信的影響，同時(shí)避免轉(zhuǎn)發(fā)器飽和，應(yīng)使轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性區(qū)域。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器處于線性區(qū)域最大點(diǎn)，即多載波工作點(diǎn)時(shí)，功率通量密度PFD取值為SFD-BOi，將此值帶入式（12）求得最大功率值PTmax。

通信鏈路受到外界影響時(shí)，將發(fā)射機(jī)功率調(diào)整到（PTmin，PTmax）范圍內(nèi)，可以保持通信可通，且轉(zhuǎn)發(fā)器增益最高。

為使通信鏈路在復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定可靠，且通信代價(jià)最小，本文考慮到海面反射、大氣閃爍、宇宙噪聲等不確定因素帶來(lái)的傳輸損傷，鏈路應(yīng)預(yù)留一定余量［12］。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)值，令功率值為（PTmin+3）dB，得到最優(yōu)發(fā)射功率。

3.2 實(shí)例分析

本文利用文獻(xiàn)［3］中給出的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算了不同自然條件下的最優(yōu)發(fā)射功率以及與之對(duì)應(yīng)的鏈路載噪比。通過(guò)中衛(wèi)10號(hào)衛(wèi)星中繼的兩船載站之間通信實(shí)例，驗(yàn)證了本文提出的最優(yōu)發(fā)射功率算法的可靠性與適用性。船載站與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)如表1～3。

表1 船載發(fā)射站參數(shù)

表2 船載接收站參數(shù)

表3 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)

當(dāng)業(yè)務(wù)要求門限信噪比Eb/N0=4dB時(shí)，船載站A的最優(yōu)發(fā)射功率在不同的調(diào)制、編碼方式，信息速率以及不同自然環(huán)境條件下的最優(yōu)發(fā)射功率計(jì)算結(jié)果如表4～5。

表4 晴天條件下的最優(yōu)發(fā)射功率

表5 下行鏈路降雨的最優(yōu)發(fā)射功率

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

1）載波參數(shù)相同，不同自然干擾下，最優(yōu)發(fā)射功率不同，自然干擾越強(qiáng)，最優(yōu)發(fā)射功率越大。

2）最優(yōu)發(fā)射功率與載波的調(diào)制、編碼方式無(wú)關(guān)，與信息速率相關(guān)，信息速率越大，最優(yōu)發(fā)射功率越大。

3）最優(yōu)發(fā)射功率下的載噪比只與調(diào)制、編碼方式有關(guān)，與信息速率、自然干擾因素?zé)o關(guān)，即調(diào)制、編碼方式?jīng)Q定了鏈路的靈敏度。

表6 上行鏈路降雨的最優(yōu)發(fā)射功率

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了透明轉(zhuǎn)發(fā)器多載波工作模式的載噪比計(jì)算模型，通過(guò)船載發(fā)射功率直接計(jì)算鏈路載噪比，使載噪比計(jì)算簡(jiǎn)化，并在此基礎(chǔ)上對(duì)船載天線發(fā)射功率進(jìn)行研究，給出了在雨衰條件下的建議功率范圍與最優(yōu)發(fā)射功率算法。通過(guò)中衛(wèi)10號(hào)衛(wèi)星通信實(shí)例，驗(yàn)證了載噪比計(jì)算模型的有效性與最優(yōu)功率算法的可靠性，說(shuō)明了本文提出的最優(yōu)功率算法能夠快速計(jì)算不同電磁環(huán)境下的最優(yōu)發(fā)射功率，為復(fù)雜環(huán)境下的鏈路分析奠定基礎(chǔ)，為海上衛(wèi)星通信裝備科學(xué)運(yùn)用提供理論依據(jù)。